功能性分子元件、其製造方法以及功能性分子裝置的製作方法

2023-04-29 21:09:01 1

專利名稱：功能性分子元件、其製造方法以及功能性分子裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在施加電場後導電性變化的功能性分子元件、其製造方法以及功 能性分子裝置。
背景技術：
納米技術用於觀察、產生和/或利用其尺寸為約10億分之一米(10_8m = IOnm)的 微觀結構。在二十世紀八十年代的後半期，發明了稱為「掃描隧道顯微鏡」的極高精度的顯微 鏡，並且使得可以觀察到單個原子和單個分子。掃描隧道顯微鏡的使用使得不僅可以觀察 原子和分子，而且可以單獨地操作它們。例如，已經報導了用布置在晶體表面上的原子來書寫文字。雖然能夠操作原子和 分子，但是通過分別操作巨大數目的原子和分子來形成新材料或組裝新裝置是不實際的。通過單獨操作原子或分子或其集群來製造納米尺度的結構需要一種用於超精度 加工的新技術。對這樣的納米級精度的微加工技術進行大致分類，兩種方法是已知的。一種方法是所謂的自頂向下法，該方法傳統上已被用於製造各種半導體器件。例 如，由較大的矽晶片通過非常精密的蝕刻至極限以製造集成電路。另一種方法是所謂的自 底向上法，該方法被設計成由作為極小組成部分的原子和分子來組裝期望的納米結構。眾所周知的摩爾定律(由作為英特爾公司的共同創立者戈登摩爾在1965年提出) 揭示了可以通過自頂向下法實現的納米結構的尺寸限度，該定律指出晶片上電晶體的數目 每18個月將加倍。自1965年以後的30年中，半導體工業使電晶體的集成速度如莫爾定律 所預言的那樣增加。半導體工業協會(SIA)發表的未來15年內的半導體國際技術藍圖(ITRS)包括摩 爾定律將繼續保持有效的觀點。隨著微細加工度進一步提高，得到的半導體晶片以更小的功率消耗更快地運行。 而且，改良的微細加工由單個晶片獲得更多的產品，從而使得可以降低生產成本。這就是微 處理器製造商在新產品的加工規則和電晶體的集成度上競爭的原因。然而，也指出了 「摩爾定律」也會由於自然法則遲早達到極限。例如，根據目前主流的半導體技術，通過按照光刻技術在矽晶片上形成電路圖案 來製造半導體晶片。因此，為了進一步小型化，必須提高解析度。為此，必須開發用於利用 更短波長的光的實用技術。此外，增加集成度涉及的另一問題是每個半導體晶片的大量發熱，這導致受熱的 半導體晶片出現故障或熱損壞。而且，專家預言以目前步調持續的半導體晶片的小型化將達到設備成本和工藝成 本增大並且產量下降的階段。結果，在大約2015年半導體工業將會是無利可圖的。最近，還指出的更為嚴重的問題是線邊緣粗糙(或圖案邊緣的微小凹凸)。關於抗 蝕劑掩模的表面上的凹凸，據說隨著圖案比以前大大減小，構成抗蝕劑的分子大小和化學
5增幅型光刻膠中酸的擴散距離變得至關重要。還已經評價了圖案邊緣上凹凸的周期幅度對 裝置特性的影響，並且成為另一重要問題。作為用於解決上述自頂向下法的瓶頸的新技術，嘗試為每個分子提供作為電子部 件的功能的研究已經被關注。例如，通過自底向上法由單個分子製造的電子裝置(分子開 關等)。關於金屬、陶瓷或半導體，通過自底向上法來製造納米尺寸的結構的研究也正在 進行。如果充分利用形狀和功能獨立不同的幾百萬種的各種分子，則將使得可以通過自底 向上法來設計和製造具有與相關傳統技術中的特性完全不同的(分子)裝置。例如，導電分子具有小至0.5nm的寬度。與在目前的IC技術中實現的約IOOnm的 線寬相比，這些分子的線可以實現幾千倍的高密度布線。此外，例如，如果使用單個分子作 為存儲元件，則可以實現具有比DVD高10，000倍的容量的記錄裝置。與傳統的矽半導體不同，分子裝置通過化學工藝來合成。在1986年，三菱電氣公 司的Hiroshi Koezuka開發了一種聚噻吩(聚合物)的世界上第一款的有機電晶體。而且，惠普公司和美國洛杉磯的加利福尼亞大學的研究小組成功開發了有機電子 器件，其在1999年7月被發表在《科學》上，並提交了專利申請(參見將在下文介紹的專利 文獻1和專利文獻幻。他們還通過由幾百萬個輪烷分子(其是有機分子)構成的分子膜制 造開關，並通過使它們連接在一起來製造作為基本邏輯電路的AND柵極。此外，美國的賴斯大學和耶魯大學的共同合作研究小組成功製造了分子開關，該 分子開關的分子結構通過在電場的作用下由電子注入引起變化以執行開關操作。他們在 1999年11月將其發表在《科學》上(參見將在下文介紹的非專利文獻1)。其具有重複執行 開關切換的功能，惠普公司和美國洛杉磯的加利福尼亞大學的研究小組未能實現該功能。 此外，分子開關具有普通電晶體大小的一百萬分之一，並且這樣微小程度有助於製造小型 高性能計算機。 在合成方面成功的J. Tour (賴斯大學，化學)教授指出，由於不需要常規用於半導 體製造的昂貴潔淨室，因此分子開關的製造成本將會是常規半導體的僅千分之一。他計劃 在5至10年內構造混合式計算機(由有機分子和矽構成)。如上所述，對具有電子部件的功能的分子裝置已進行了的大量研究。然而，過去大 多數對分子裝置的研究涉及那些通過光、熱、質子、離子等驅動的裝置(參見，例如將在下 文介紹的非專利文獻2)，而涉及通過電場驅動的裝置則很少。關於這些分子裝置，上述線邊緣粗糙的問題也是一個嚴重的問題，並且認為隨著 圖案進一步小型化，該問題將變得更嚴重。關於分子裝置，作為用於避免該問題的方法，通 常實踐是將硫醇基引入到分子的末端以直接連接至金電極(參見，例如將在下文介紹的非 專利文獻幻。分子裝置在再現性方面優於無機材料，這是因為與引起粗糙問題的最小單位 相比，它們的分子本身尺寸更小。然而，硫醇基與金電極之間的電連接涉及的問題在於，分子本身具有的電特性無 論如何良好，末端硫醇基與電極之間的連接部分均具有較大的電阻，並且該較大的電阻限 制分子裝置特性的改善(參見，將在下文介紹的非專利文獻4)。在分子裝置的開發中，已經研究了使用各種有機分子。例如，稱為「四吡咯類」的一 組化合物，均包含四個吡咯環。四吡咯類包括具有環狀結構的四吡咯類和具有無環結構的四吡咯類。具有環狀結構的四吡咯類包括例如卟啉以及其衍生物，嚇啉具有這樣的環(四 吡咯環)，即四個吡咯環在每兩個相鄰的吡咯環之間經由一個碳原子彼此連接。已知卟啉以 及其衍生物與多個金屬原子形成穩定的金屬絡合物，並且這些金屬絡合物中的每一個構成 具有彼此堆疊的卟啉環的平面的堆疊結構。另一方面，具有無環結構的四吡咯類稱為「無環 四吡咯」、「開環四吡咯」或「線性四吡咯」，其中四個吡咯環經由一個碳原子在每兩個相鄰的 吡咯環之間線性地連接在一起。在下文中，將對含四吡咯的分子裝置的報導的一些實施例進行描述。# # M H % "Photo-Functional Molecular Element with Porphyrin Polymer Fixed and Stacked on Substrate through Covalent Bonds and Method of Preparing the Same」、將在下文中介紹的專利文獻3，該文獻描述了在將連接物卟啉施加 在金基板上之後，將該基板浸沒在咪唑取代的鋅卟啉的溶液中以通過配位鍵堆疊卟啉聚合 物。題為「Functional Molecular Element」並且將在下文中介紹的專利文獻4包含 如下文所述的內容。介紹了關於功能性分子元件，該功能性分子元件使用通過電場誘導的分子結構的 變化而改變介電常數的各向異性的系統來構造。該文介紹這樣的功能性分子元件優選使用 由有機分子和金屬離子形成的有機金屬絡合物的分子，所述有機分子具有介電常數各向異 性並且在電場的作用下改變結構。該有機分子可以具有例如線性側鏈，並且期望是圓盤狀 的(或接近圓盤狀)。功能性分子元件被描述為優選形成接近圓盤狀的柱陣列結構，具有側鏈的有機金 屬絡合物分子以柱狀布置在一對彼此相對的電極之間。還描述了接近圓盤狀、具有側鏈的 有機分子可以優選為二次甲基膽色素酮衍生物如膽綠素(biliverdine)或二次甲基膽色 素酮，金屬離子可以優選為鋅離子、銅離子、鎳離子等。而且，描述了除了二次甲基膽色素酮衍生物外，膽汁三烯(biline)衍生物、 Phlorin衍生物、二氫卟酚衍生物等也是可用的，並且作為金屬，另一代表性元素或過渡金 屬也是可用的。題為「Linear Tetrapyrrole Dye」、將在下文中介紹的專利文獻5介紹了關於線性 四吡咯染料，主要特徵在於其通過氧化和裂開在每個苯基上包含烷基或烷氧基的四苯基卟 啉來合成。此夕卜，題為"Functional Molecular Element,Method for Producing Functional Molecular Element, and Functional Molecular Device'\)|f ^T^I^^^S W^^J^lK 6 包含在下文中描述的內容。專利文獻6的發明涉及一種功能性分子元件，其中π電子共軛分子在其側鏈處吸 附在電極上以形成這樣布置的吸附分子，使得骨架的平面結構或基本上為平面結構基本上 平行於電極設置，並且至少由吸附分子和電極形成的結構具有使電流在與平面結構或基本 上為平面結構交叉的方向上流動的功能，其中所述η電子共軛分子中的每一個包括具有 JI電子共軛體系的平面結構或基本上為平面結構的骨架並且包括結合於骨架的側鏈；還 涉及其製造方法，即，用於製造功能性分子元件的方法，該方法包括以下步驟製備調節濃 度的η電子共軛分子的溶液，使該溶液與電極接觸，以及使溶劑從溶液中蒸發使得η電子共軛分子以相當於所述濃度形成在堆疊在電極的表面之間的層中。專利文獻6的發明還涉及一種功能性分子裝置，其中構成功能性分子元件的結構 具有彼此相對的電極作為電極。現有技術文獻專利文獻[專利文獻1]美國專利號6，256，767 (摘要)[專利文獻2]美國專利號6，128，214[專利文獻3]日本專利公開號2004_洸6100(第OOO8段、第Ol59-Ol73段)[專利文獻4]日本專利公開號 2OO5-M8773 (第 00:31-0043 段)[專利文獻5]日本專利公開號 2006_283014 (第 0006_0024 段)[專利文獻6]日本專利公開號 2OO6-35I623 (第 OO37-OO38 段)非專利文獻[非專利文獻1]J. Chen, Μ. A. Reed, Α. Μ. Rawlett and J. Μ. Tour, "Large on-off ratios and negative differential resistance in a molecular electronic device,，，Science, 286,1552 to 1551(1999)[非專利文獻2]"Molecular Switches"compiled by Ben L. Feringa,WILEY-VCH,Weinheim(2001)[非專利文獻3]Μ. A. Reed, C. Zhou, C. J. Muller, Τ. P. Burgin and J. M. Tour, "Conductance of a molecular junction,，，Science, 278，252-254 (1997)[非專利文獻4]J. Μ. ffessels, H. G. Nothofer, W. Ε. Ford, F. von ffrochem, F. Scholz, T. Vossmeyer, A. Schroedter, H. Weller and A.Yasuda, "Optical and electrical properties of three-dimensional interlinked gold nanoparticle assemblies, "Journal of the American Chemical Society，126(10)，3349—3356，(Mar. 17,2004)

發明內容
技術問題在許多通過電場驅動的傳統分子元件中，它們的分子在電場的作用下電子狀態發 生改變，並且結果，兩個(或多個)電極之間的導電性改變。例如，在有機場效應電晶體(有 機FET)的情況下，載流子經溝道區域中的有機分子的移動通過作用於有機分子的電場的 變化來調整。在每個電極與其相關的有機分子之間的界面處的接觸電阻非常高，並且該接 觸電阻強烈地影響分子元件的操作特性。
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與其操作原理無關的各個分子元件中，包括基於在電場作用下的原理的功能性分 子元件，分子結構變化以用作接通電流或切斷電流的分子開關，並且每個電極與其相關的 分子之間的界面處的接觸電阻顯著影響分子元件的操作特性，其中接觸電阻較大。甚至如 在太陽能電池中，在彼此相對的電極之間布置有機分子層以使電子流動的情況下，也要求 儘可能大地降低每個電極與其相關的有機分子之間的界面處的接觸電阻。在分子元件中，通常已經使用了金屬電極。然而，利用具有例如由金形成的兩個電 極的分子元件，其中兩個電極之間具有納米尺寸的間隙，並且有機分子布置在電極間隙中 以形成溝道，認為很難獲得穩定的操作，這是因為在電場下可能會發生金原子從電極表面 的移動或由這樣的金原子形成細絲(filament)。為了給上述問題提供一種解決方案，本發明的一個目的是提供一種功能性分子元 件、其製造方法以及功能性分子裝置，該功能性分子元件以低接觸電阻設置在各個電極與 相關的有機分子之間的界面處。技術方案具體地，本發明涉及一種功能性分子元件，包括電極(例如，將在下文中描述的實 施方式中的電極5、6)；第一 π電子共軛分子(例如，將在下文中描述的實施方式中的界面 改性分子幻，其每一個包括具有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的第一骨架(例 如，將在下文中描述的實施方式中的近圓盤狀骨架3)並且包括結合於第一骨架的側鏈(例 如，將在下文中描述的實施方式中的側鏈4)，所述第一 π電子共軛分子的第一骨架基本上 平行於電極布置並且在其側鏈處分別通過共價鍵結合於電極；以及分子陣列結構，其由堆 疊在一起的第一 η電子共軛分子和第二 η電子共軛分子(例如，將在下文中描述的實施 方式中的驅動部分子1)形成，使得功能性分子元件具備使電流在與第一骨架的平面交叉 的方向流動的功能。本發明還涉及一種用於製造功能性分子元件的方法，包括第一步驟使第一 π電 子共軛分子(例如，將在下文中描述的實施方式中的界面改性分子幻在其側鏈處共價結合 於電極(例如，將在下文中描述的實施方式中的電極5、6)使得第一骨架基本上平行於電極 布置，其中所述每一個第一 η電子共軛分子包括具有η電子共軛體系的平面或基本上為 平面的第一骨架(例如，將在下文中描述的實施方式中的近圓盤狀骨架3)並且包括結合於 第一骨架的側鏈(例如，將在下文中描述的實施方式中的側鏈4)；以及第二步驟通過在第 一骨架上分子間η-η堆疊第二骨架來堆疊第二 η電子共軛分子，並且通過分子間η-η 堆疊沿一個方向重複堆疊第二骨架(例如，將在下文中描述的實施方式中的驅動部分子 1)，使得形成包括第一和第二 η電子共軛分子的分子陣列結構，其中第二 η電子共軛分子 中的每一個包括具有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的第二骨架。本發明還涉及一種功能性分子裝置，包括彼此相對的第一和第二電極(例如，將 在下文中描述的實施方式中的電極5、6)；第一 π電子共軛分子(例如，將在下文中描述的 實施方式中的界面改性分子幻，其每一個包括具有η電子共軛體系的平面或基本上為平 面的第一骨架(例如，將在下文中描述的實施方式中的近圓盤狀骨架3)並且包括結合於第 一骨架的側鏈(例如，將在下文中描述的實施方式中的側鏈4)，所述第一 π電子共軛分子 的第一骨架基本上平行於所述第一和第二電極布置並且在其側鏈處分別通過共價鍵結合 於第一和第二電極；第二 η電子共軛分子(例如，將在下文中描述的實施方式中的驅動部分子1)，其每一個具備具有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的第二骨架，通過分子 間JI-JI堆疊使第二 π電子共軛分子的第二骨架堆疊在第一骨架之間，所述第二骨架通過 分子間JI-JI堆疊而在一個方向上重複堆疊；以及分子陣列結構，由第一電極和第二電極 上的第一 η電子共軛分子和第二 η電子共軛分子形成，由此功能性分子元件具備使電流 在一個方向上流動的功能。有益效果根據本發明的功能性分子元件，第一 π電子共軛分子中的每一個包括具有η電 子共軛體系的平面或基本上為平面的第一骨架並且還包括結合於第一骨架的側鏈，所述第 一 JI電子共軛分子的第一骨架基本上平行於所述電極布置並且在其側鏈處分別通過共價 鍵結合於電極，並且所述第一 η電子共軛分子和第二 η電子共軛分子堆疊在一起以形成 分子陣列結構。因此，第一 η電子共軛分子採用它們分別結合於電極的結構，所述第一 η 電子共軛分子的η電子與電極具有良好的電相互作用，並且可以為每一電極與其相關的 第一 η電子共軛分子之間的界面提供降低的接觸電阻。因此，功能性分子元件可以有效地 使電流在與第一骨架的平面交叉的方向上流動。根據本發明的用於製造功能性分子元件的方法，該方法包括使第一 π電子共軛 分子在其側鏈處共價結合於電極使得第一骨架基本上平行於電極布置的第一步驟，其中第 一 JI電子共軛分子中的每一個包括具有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的第一骨 架並且包括結合於第一骨架的側鏈；以及通過在第一骨架上分子間η-η堆疊第二骨架， 並且通過分子間η-η堆疊沿一個方向重複堆疊第二骨架來堆疊第二 η電子共軛分子，使 得形成包括第一和第二 η電子共軛分子的分子陣列結構的第二步驟，其中第二 η電子共 軛分子中的每一個包括具有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的第二骨架。因此，第 一 JI電子共軛分子分別結合於電極，所述第一 η電子共軛分子的η電子與第一和第二電 極具有良好的電相互作用，並且可以為第一電極和第二電極中的每一個與其相關的第一 η 電子共軛分子之間的界面提供降低的接觸電阻。因此，該製造方法可以提供可以有效地使 電流通過分子陣列結構流動的功能性分子元件。根據本發明的功能性分子裝置，該功能性分子裝置包括彼此相對的第一電極和第 二電極；第一 η電子共軛分子；第一 η電子共軛分子中的每一個包括具有η電子共軛體 系的平面或基本上為平面的第一骨架並且包括結合於第一骨架的側鏈，所述第一 η電子 共軛分子的第一骨架基本上平行於所述第一和第二電極布置並且在其側鏈處分別通過共 價鍵結合於所述第一和第二電極；第二 η電子共軛分子，其每一個具備具有η電子共軛體 系的平面或基本上為平面的第二骨架，其通過在第一骨架上分子間η-η堆疊第二 η電子 共軛分子的第二骨架而堆疊，所述第二骨架通過分子間η-η堆疊而在一個方向上重複堆 疊；以及分子陣列結構，其通過第一電極和第二電極之間的第一 η電子共軛分子和第二 η 電子共軛分子形成。因此，第一 η電子共軛分子分別結合於電極，所述第一 η電子共軛分 子的η電子與第一和第二電極具有良好的電相互作用，並且可以為第一和第二電極中的 每一個與其相關的第一 η電子共軛分子之間的界面提供降低的接觸電阻。因此，功能性分 子裝置可以有效地使電流通過分子陣列結構在一個方向上流動。


圖1是示出了根據本發明的實施方式的功能性分子元件的一個實例的示圖。圖2是示出了根據本發明的另一實施方式的用於製造功能性分子元件的方法的 示圖。圖3是示出了根據本發明的又一實施方式的絕緣柵極場效應電晶體的示圖。圖4是示出了界面改性分子和驅動部分子的實例的示圖。圖5是示出了在本發明的一個實施例中電極的表面狀態的示圖。圖6是說明在本發明的該實施例中電極表面與界面改性分子之間的共價鍵的形 成的示圖。圖7是說明在本發明的該實施例中電極表面與界面改性分子之間的共價鍵的形 成的示圖。圖8是說明在本發明的該實施例中如通過光電子產量分光計測量的電極界面的 結構的示圖。圖9是說明在本發明的該實施例中在電極與界面改性分子之間的相互作用的示 圖。圖10是示出了在本發明的該實施例中絕緣柵極場效應電晶體的一個實例的示 圖。圖11是示出了在本發明的該實施例中絕緣柵極場效應電晶體的特性的示圖。圖12是示出了在本發明的該實施例中絕緣柵極場效應電晶體的特性的示圖。圖13是示出了在本發明的該實施例中絕緣柵極場效應電晶體的重複特性的示 圖。
具體實施例方式根據本發明的功能性分子元件可以優選被構造成使得第二 π電子共軛分子均具 備具有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的第二骨架，第二 η電子共軛分子的第二 骨架通過分子間η-η堆疊而堆疊在第一骨架上，所述第二骨架通過分子間η-η堆疊而 在一個方向上重複堆疊在一起，並且分子陣列結構由第一 η電子共軛分子和第二 η電子 共軛分子形成，使得功能性分子元件具有使電流在一個方向上流動的功能。根據該構成，分 子陣列結構通過在第一 η電子共軛分子和第二 η電子共軛分子之間以及在第二 η電子 共軛分子之間的分子間η-η堆疊而形成。因此基於η電子共軛分子的η電子之間的相 互作用，功能性分子元件可以有效地使電流在一個方向上流動。此外，第一 π電子共軛分子可以優選在種類上不同於第二 π電子共軛分子。根 據該構成，可以選擇第一 η電子共軛分子和第二 η電子共軛分子，使得第一 η電子共軛 分子可以分別結合於電極，第一 η電子共軛分子的η電子與相應的電極之間的電相互作 用可以被改善，從而降低電極和它們的相關第一 η電子共軛分子之間的接觸電阻，而且， 第一 η電子共軛分子和第二 η電子共軛分子之間的分子間η-η堆疊以及第二 η電子 共軛分子之間的分子間η-η堆疊可以被改善。此外，電極可以優選由多晶矽(在下文中，縮寫為「pSi」)或非晶矽(在下文中， 縮寫為「aSi」)形成。根據該構成，電極可以以低成本形成。當電極包括通過其間的納米尺度的間隙彼此相對的電極並且由金屬電極(例如，金電極)形成時，在電場下在電極之間 可能出現電極形成原子從電極表面的移動或由這樣的原子形成細絲。然而，利用由PSi或 aSi形成的電極，甚至當電極包括通過其間的納米尺度的間隙彼此相對的電極時，也不會出 現原子的移動或細絲的形成。因此，可以實現納米尺度的分子元件，該分子元件具有在其間 具有納米尺度的間隙的電極，並且可以穩定地操作。此外，功能性分子元件具有作為電極的彼此相對的第一電極和第二電極，並且第 一 JI電子共軛分子的側鏈通過共價鍵分別結合於第一和第二電極，並且在第一電極和第 二電極之間形成分子陣列結構。根據該構成，第一 η電子共軛分子可以分別結合於電極， 第一 η電子共軛分子的η電子與第一和第二電極之間的電相互作用可以被改善，從而降 低第一和第二電極中的每一個與其相關的第一 η電子共軛分子之間的界面處的接觸電 阻，並且功能性分子元件可以有效地使電流通過分子陣列結構在一個方向上流動。此外，所述電極進一步包括第三電極使得電流可以通過第三電極來控制。根據該 構成，第一電極和第二電極與分子陣列結構之間的接觸電阻很小。通過基於施加至第三電 極的電場的變化來控制分子陣列結構的導電性，可以實現具有開關功能的分子元件。此外，第一 π電子共軛分子可以優選為四吡咯衍生物、酞菁衍生物、或具有三個 以上環的稠合多環芳香族化合物。以聚吡咯等為代表的其中η電子在直鏈上非局域化 的導電高分子的導電通路的厚度大致取決於其環直徑。具體地，厚度為0.5nm或半徑為 0.5nm。另一方面，四吡咯衍生物的π電子的非局域化平面的半徑為約lnm，並且π - ji堆 疊的導電通路具有上述一般導電聚合物的大約4倍的面積。通過精確控制每個電極平面和 與其相關的第一 η電子共軛分子(例如四吡咯衍生物)的η電子的非局域化平面的之間 的距離，可以控制電子態密度的重疊，從而使得可以增加電子從電極到與其相關的第一 η 電子共軛分子的透過係數。而且，第一電子共軛分子可以優選為卟啉衍生物或暈苯衍生物。第一 π電子共軛分子可以優選為由以下式(1)表示的四苯基卟啉，其中R1、! 2、! 3 和R4可以是相同或不同的並且表示羥基或取代的直鏈烴基。[式1]
權利要求
1.一種功能性分子元件，包括電極，第一 η電子共軛分子，各個第一 η電子共軛分子包括具有η電子共軛體系的平面或 基本上為平面的第一骨架並且包括結合於所述第一骨架的側鏈，所述第一 η電子共軛分 子的第一骨架被配置為基本上平行於電極並且在其側鏈分別通過共價鍵結合於所述電極； 以及分子陣列結構，由堆疊在一起的所述第一 η電子共軛分子和第二 η電子共軛分子形 成，使得所述功能性分子元件具備使電流沿與所述第一骨架的平面交叉的一個方向流動的 功能。
2.根據權利要求1所述的功能性分子元件，其中，所述第二η電子共軛分子均具備具 有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的第二骨架，通過分子間η-η堆疊使所述第二 JI電子共軛分子的第二骨架堆疊在所述第一骨架之間，所述第二骨架通過分子間η-η堆 疊而沿一個方向重複堆疊在一起，並且所述分子陣列結構由所述第一 η電子共軛分子和 所述第二 η電子共軛分子形成，使得所述功能性分子元件具備使電流沿所述一個方向流 動的功能。
3.根據權利要求2所述的功能性分子元件，其中，所述第一π電子共軛分子和所述第 二 η電子共軛分子是不同種類的η電子共軛分子。
4.根據權利要求1所述的功能性分子元件，其中，所述電極由多晶矽或非晶矽形成。
5.根據權利要求2所述的功能性分子元件，其中，所述功能性分子元件具有彼此相對 的第一電極和第二電極作為所述電極，並且所述第一 η電子共軛分子的所述側鏈通過共 價鍵分別結合於所述第一電極和所述第二電極，並且在所述第一電極與所述第二電極之間 形成所述分子陣列結構。
6.根據權利要求5所述的功能性分子元件，其中，所述電極還包括第三電極，使得所述 電流可以通過所述第三電極來控制。
7.根據權利要求1所述的功能性分子元件，其中，所述第一η電子共軛分子為四吡咯 衍生物、酞菁衍生物、或具有3個以上環的稠合多環芳香族化合物。
8.根據權利要求7所述的功能性分子元件，其中，所述第一π電子共軛分子為卟啉衍 生物或暈苯衍生物。
9.根據權利要求8所述的功能性分子元件，其中，所述第一π電子共軛分子為由下式 (1)表示的四苯基卟啉衍生物[式1]
10.根據權利要求1所述的功能性分子元件，其中，所述側鏈各自為烷基、烷氧基、烷基 的矽類似物、或者具有結合其上的烷基、烷氧基或烷基的矽類似物的芳香環。
11.根據權利要求2所述的功能性分子元件，其中，所述第二π電子共軛分子是卟啉衍 生物或線性四吡咯。
12.根據權利要求11所述的功能性分子元件，其中，所述第二η電子共軛分子是由下 式(2)表示的二次甲基膽色素酮衍生物[式2]
13. 一種用於製造功能性分子元件的方法，包括以下步驟使第一 η電子共軛分子在其側鏈處共價結合於電極，使得第一骨架被配置為基本上 平行於所述電極，其中各個所述第一 η電子共軛分子包括具有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的所述第一骨架並且包括結合於所述第一骨架的側鏈；以及通過在所述第一骨架之間分子間η-η堆疊第二骨架而堆疊第二 η電子共軛分子，並 且通過分子間η-η堆疊而沿一個方向重複堆疊所述第二骨架，從而形成含有所述第一 η 電子共軛分子和所述第二 η電子共軛分子的分子陣列結構，其中，各個所述第二 η電子共 軛分子包括具有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的所述第二骨架。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述第一π電子共軛分子和所述第二 π電子 共軛分子是不同種類的η電子共軛分子。
15.一種功能性分子裝置，包括彼此相對的第一電極和第二電極；第一 η電子共軛分子，各個第一 η電子共軛分子包括具有η電子共軛體系的平面或 基本上為平面的第一骨架並且包括結合於所述第一骨架的側鏈，所述第一 η電子共軛分 子的第一骨架被配置為基本上平行於所述第一電極和所述第二電極並且在其側鏈處分別 通過共價鍵結合於所述第一電極和所述第二電極；第二 η電子共軛分子，各自具備具有η電子共軛體系的平面或基本上為平面的第二 骨架，通過分子間η-η堆疊第二 η電子共軛分子的第二骨架而在所述第一骨架之間堆 疊，所述第二骨架通過分子間η-η堆疊而沿一個方向重複堆疊；以及分子陣列結構，通過所述第一電極和所述第二電極之間的所述第一 η電子共軛分子 和所述第二 η電子共軛分子形成，由此功能性分子裝置具備使電流沿一個方向流動的功能。
16.根據權利要求15所述的功能性分子裝置，其中，所述第一π電子共軛分子和所述 第二 η電子共軛分子是不同種類的η電子共軛分子。
17.根據權利要求15所述的功能性分子裝置，其中，所述第一電極和所述第二電極由 多晶矽或非晶矽形成。
18.根據權利要求15所述的功能性分子裝置，還包括第三電極，使得所述電流可以通 過所述第三電極來控制。
19.根據權利要求18所述的功能性分子裝置，其中，所述第三電極沿著所述一個方向 設置，作為用於將電場施加至所述分子陣列結構並控制所述電流的控制電極。
20.根據權利要求19所述的功能性分子裝置，其中，所述第三電極是柵電極，在所述柵 電極上設置柵極絕緣層，並且在所述柵極絕緣層上形成分別作為源電極和漏電極的所述第 一電極和第二電極，使得所述功能性分子裝置被構造為絕緣柵極場效應電晶體。
全文摘要
電功能性分子(10)由彼此相對的由pSi(多晶矽)形成的電極(5，6)、以及分子陣列結構(7)構成，並且分子陣列結構由界面改性分子(2)和驅動部分子(1)形成，其中界面改性分子共價結合於電極(5，6)的表面以改性表面，驅動部分子(1)沿一個方向重複地堆疊在界面改性分子之間。界面改性分子包括側鏈部分和具有π電子共軛體系的大致圓盤狀骨架部分。形成骨架部分的表面被設置為大致平行於兩個電極的表面，而側鏈部分共價結合於兩個電極的Si。驅動部分子是由在大致中心處具有鋅離子的絡合物構成功能性分子，而且具有π電子共軛體系，並且在施加電場後，其結構或取向變化，由此改變介電常數，換句話說改變導電性。界面改性分子、驅動部分子和相鄰的驅動部分子通過分子間π-π堆疊而堆疊。
文檔編號H01L29/417GK102067350SQ200980122879
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月12日 優先權日2008年6月19日
發明者松居惠理子 申請人:索尼公司